Modélisation mathématique de la cancérogenèse par des produits chimiques

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Texte intégral

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Modélisation mathématique de la cancérogenèse par des

produits chimiques

Frédéric Bois

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Frédéric Bois. Modélisation mathématique de la cancérogenèse par des produits chimiques. Médecine humaine et pathologie. Université Paul Verlaine - Metz, 1988. Français. �NNT : 1988METZ019S�. �tel-01775761�

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MODELISATION MATHEMATIQUE

DE LA

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CANCEROGENESE

PRODUITS CHIMIQUES

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J E tiens à remercier Paule Vasgeur et Jean-Claude Block qul ont été à I'origlne de ce travall, les membres du Jury qui ont blen voulu le Juger,

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Résumé lntroductlon

contexte de I'Etude

l. Modéltsatlon des Rlsques de Cancer

l.l. ceractérlstiques Princlpales de la cancérogenèse 1.2. ObJectifs de la Modéllsation

1.3. Modèles Exlstants

2. Toxicologie du Chlorure de Vlnyle 2.1. Introduction

2.2. Toxicocinétique 2.3. Métabollsme 2.4. Mutagénicité 2.6. Cencérogénlclté

3. Toxicologie des Concentrés et Extraits d'Eaux de Bolsson 8.1. AnalYse Chimlque

3.2. Génotoxlcité ExPérimentale 3.3. Etudes EPldémtologiquee Méthodes

l. Formuletlon du Modèle

l.l. Nlveau de Distrlbutlon des Prodults 1.2. Nlveau de Métebollsation des Prodults 1.3. Nlveau du Comportement Cellulalre 2. Sélection des Paramètres

3. Slmulations Monte-Carlo 4. AnalYse de Senslbtllté Résultete

l. AJustement des Paramètre8 pour le chlorure de vlnyle l.l. Nlveau de Dlstributlon

1.2. Nlveau de Métabollsation

1.3. Ntveau du Comportement Cellulalre

2. Slmulatlons Monte-cerlo pour le chlorure de vlnyle 3. Analyse de Senelbtllté du Modèle

4. Contamlnante des Eaux 4.1. Contamlnants Volatlls 4.2. Contamlnents Non-Volatlls -pages-, l t 7 l 7 l 8

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6 l 6 1 66 7 6 7 6 7 9 88 3 4 I l 0 2 4 30 g 2 g 4 3 7 40 43 4 5 60

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Dlseusslon

l. Prlnclpes de le Modélisatlon 2. Formulatlon du Modèle 3. Nustement des Paramètres

4. Interprétation des Slmulations Monte-Carlo 6. Analyse de Sensiblltté

6.Examen des Résultate Obtenus Concluslon

Travaux Cltés

Annexe I : Formulatlon Mathématlque du Modèle Annexe 2 : Programmes 9 6 9 7 9 8 9 9

loo

l 0 l l 0 4 1 0 6

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Ce travall présente le développement d'un modèle mathémetique de la cencérogenèse et soutlent la thèse de I'utlllté d'une telle approche pour la préventlon des risques de eaneer, en partieuller dans le eas des rlsques falbles, lneccessibles à I'expérimentetlon ou aux études épidémlologlques.

Nous présentons une revue de la llttérature sclentiflque eonsacrée aux prln-clpes généraux de le modéllsation de la cancérogenèse par les prodults chimi-ques. La toxleologie du chlorure de vlnyle monomère et des eoncentrés et extralts d'eaux de bolsson est également exposée, pour référence.

Les trols eomposantes du modèle: distrlbution des prodults, métabollsme, comportement cellulalre, sont décrites. Sa base mathématlque et les program-mes lnformatlques utilisés pour les ealeuls sont présentés en ennexe.

Les résultats de I'dustement des paramètres du modèle pour le eas de I'actlon cancérlgène du chlorure de vlnyle, alnsl que des prévislons des rlsques de eaneer par les eontamlnants orgeniques des eaux de boisson sont présentés. Ces résultats sont eccompagnés d'une estimatlon de leur précision per la méthode Monte-Carlo, ainsi que d'une analyse de senslbtllté du modèle.

Les hypothèses, les méthodes, les résultate de ce travall sont dlscutés, et les perspeetlves qu'll ouvre, esquissées.

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l

-INTRODUCTIOTÙ

Ce mémolre décrlt nos travaux par les substances chlmlques et les contemporalne dens ce domalne.

sur la modélisatlon de la cancérogenèse replaee dans le eontexte de la recherche

Cette recherche est essentlellement motlvée par le falt que de très nombreux composés, présents neturellement dans notre envlronnement, ou lntroduits par les actlvltés humaines, sont des eencérlgènes avérée ou suspectés dont I'actl-vtté dépend du nlveau et de la vole d'exposltlon, alnsi que de I'espèce anlmale consldérée. Cette eancérogéniclté se manifeste à long terme. paralt cumuletlve, et risque donc d'apparaître pour de très faibles expositlons. De ce falt les études sur animeux, outre les questions d'éthlque qu'elles soulè-vent, sont difflclles à flneneer, à mener, et à lnterpréter. Les études des populatlons humelnes sont encore plus déllcetes, eer il est lnconceveble d'lntoxlquer sclemment nos semblebles. Au cours des vlngt ou trente dernlè-res ennées de nombreux travaux ont falt appel à dee tests sur syotèmes slmpllflés (ADN lsolé, baetérles, cellulee en eulture) pour détecter une capacl-té mutagène des substances, en vue d'en prédtre la cancérogénleicapacl-té. Ces tests sont beaucoup plus faelles à conduire que les précédents, mals leur lnterprétatlon est encore plus délicate.

La dlsparlté des résultats ainsl réunls requiert d'en felre la synthèse quan-tltative. Une telle synthèse peut se felre à I'alde d'un modèle, reprodulsant autant que possible les aspects eonnus du phénomène. Un modèle methéma-6que, où les eeuls obJets menlpulés sont deg quantités abstraltes. mlses en reletlon par des équatlons. eonvlent pour ee propos. Les modèles de cancéro-genèse sont reletlvement eomplexes, tout comme le phénomène qu'tls préten-dent slmuler, mals la rapldlté des calculateurs électronlques actuels rend ees modèles réallsables et relatlvement performants.

Nous soutenons Ia thèse qu'il est posslble de développer et d'utlllser avee proflt ces modèles pour la prédictlon de rlsques. ou probabllltés, de cancer eeusés par I'expoeltlon eux substsneea ehlmlques toxlques.

Ce rapport fera pour eommencer

le polnt sur les trevaux réeents sur la

modé-llsatlon de la cancérogenèse. Une revue des données publlées. pour le

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déerlrons, dens une trolslème partle, la formuletlon du modèle que nous avons développé et I'appllquerons eu cas des composés mentlonnés.

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-CONTEKTts DE L'ETUDE

Cette pertie est une revue de la llttérature sclentiflque coneernent le modéllsatlon de le cancérogenèse. le toxleologle génétlque du chlorure de vlnyle et des eontamlnants des eaux de bolsson. Etant donné l'étendue de la llttérature publlée, nouc avons cholsl de ne présenter que les travaux, à nos yeux, les plus slgnlflcatlfs.

f. XodéUsetlon des Rtsques de Cancer

Les techniques d'estlmatlon des rlsques de eancer Be sont développées pour répondre à une question cruelale pour la santé des populetlons: exlste-t-tl des teneurg en dessoue desquelles les substances cancérlgènes présentes dans notre envlronnement eont lnoffenslves? ilême sl un rlsque paraît faible pour un lndlvldu, par exemple un pour dlx mllle, sur une populatlon de dlx mllllons de personnes exposées un mllller seront affllgées d'un eancer, meledle greve.

Il a paru posslble, il y a quelques années de bannlr complètement I'emplol des cencérigènes eonnus (Hartley et Slelken, I977r. Par la sulte cette exlgence s'est montrée très dlfflclle, slnon lmposslble, à satlsfaire: des prodults natu-rels. dee médlcamente, des habltudes culturelles (tebac), ou des eomposentes fondamentales de la clvlllsatlon industrlelle (gaz de combustlon...) se révélè-rent potentlellement caneérlgènes. Au lieu de changer le monde on changea les orlentatlons de le léglsletlon des cancérlgènes. On tente melntenant, de façon plus réallste, de déflnir des ltmltes au-deseous desquelles le rlsque posé per un prodult eux personneo exposées est soelelement eceeptsble. Cette dernlère expresslon appelle quelques commentalres: lorsqu'une large populetion est exposée, souvent en dehors des lleux de trevail, ll semble qu'un rlsque de un sur eent mllle att été typlquement Jugé aecepteble (Organisatlon Mondlale de la Santé - Olrls. f 984). C'est dlre qu'eu eours de la vle d'une cohorte de cent mllle personnes exposées au prodult, celul-cl ne devra pes cauaer plus d,un eancer. Pour les experts, cette valeur semble sufflsamment petlte. Sur lea lleux de travsil, où les exposltlons gont en général plus fortes et les populatlons plus petltes, lee rlsques admlg eont d'habltude plua élevés. eecl pour dee ralgons souvent ellmentées de consldéretlons technologlques ou flnanclères.

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La modéllsation de la cancérogenèse doit présenter une lmage clalre des aspeets fondamentaux du phénomène, et done s'appuyer sur une théorle du proeessus de cancérisatlon. Btabllr une théorle suppose de faire des eholx parml les multiples explicatlons posslbles, qultte à la modlfler ou même I'abandonner sl certaines de ses hypothèses ou conséquences se révèlent lncompatlbles avec les faits.

Un tel modèle, une fols établl, peut recevolr plusieurs applicatlons:

tester les hypothèses qul le sous-tendent et leurs conséquences. Le . modèle peut en ee cas relayer des expérimentatione longues, dlfflciles ou

même lnfaisables.

préparer des expérimentatlons: le modèle peut indiquer quelles condltlons sont les plus favorables pour observer un effet donné. Il peut elnsl dlminuer sensiblement le nombre d'essals préliminalres à effectuer et aider à la planiflcatlon des expérimentatlons en vue de leur analyse statistlque.

accéder à des quantités autrement lnaccessibles (per exemple un rlsque' ou probabilité, de ceneer ehez I'humain pour une exposltlon donnée à un toxique). La principele applicetion des modèles de cancérogenèse actuels est préclsément I'estlmation du rlsque, et nos recherches ont porté sur cet aspect de I'utillsatlon des modèles.

Nous dlscuterons tout d'abord de quelques aspects fondamentaux de la cancé-rogenèse, velables pour I'ensemble des mammlfères, puls exposeron8 les buts de sa modéllsetlon, et flnalement décrlrons les travaux déJà publlés dane ce

domaine.

l.l. Carectérlstlquee Prlnclpalee de la Cencérogenèse

Le connalssanee de quelquea-unes deg earactérlstlques de la cancéroge-nèse eet lndlspensable à sa modéllsatlon. Nous aborderons I'eetlon indlrecte de certalns eancérlgènes, la nature multl-étape du processus de cancérlsatlon, le rôle des oncogènes cellulelres, la dlstlnctlon elasslque entre lnltlation et promotlon, et le problème de I'exlstenee d'un seull pour I'effet des caneéri-gènes.

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-a. Actlon [ndlreete de certeins cancérlgènes

Tous les cancérlgènes n'aglssent pas dlrectement: très souvent ll faut une ou plusleurs transformatlons métabollques avant d'aboutlr aux eancérlgènes ultlmes, qul sont généralement des prodults plus réactlfs que leurs 'perents' et capables de se flxer sur I'ADN (Bannasch, 1983; Haley, 1984). La prise en eompte de ces étepes métabollqueÊ est trèe lmportante pour une modéllsatlon eorreete de la cancérogenèse: les phénomènes mls en Jeu sont souvent non-llnéalres et peuvent varler largement selon les espèces (Oeseh, f984). Le fole est un organe maleur de métabolieme chez les mammlfères, et eonstltue

ftéquemment le premler slte d'action toxlque. Le fole peut aussl être le souree de métabolltes actlfs aglssant. après transport sanguln, dans d'autreg orgenes. Cependant des transformatlons extra-hépatlques peuvent également être lmportantes (Boyd et al., f983).

b. Proeessus nultl-étape

Une cellule ne pa6se pas sens transitlon d'un fonctlonnement normal à un fonctlonnement eancéreux. Une multltude d'événements se produlsent en

csseade, ou lndépendamment (Farber, l9S4b). Ceci est propre à tout phéno-mène blologlque, qu'll solt pathologlque ou non. Il semble cependant que la clnétlque d'évolutton eencéreuse soit gouvernée par quelques événements lndé-pendanta et rares (Berrett et Wlsemen, 1987; Celrns et Logan. 1983; Farber,

lg84e), sortes de goulots d'étranglement et passages obllgés. Malgré le grand nombre d'événements nécesoalres, le phénomène prend alore l'aepect d'une progresslon en quelques étapes, largement espacées dans le temps. S'll est lmposslble de modéltser dans le détell toutes les réactlons lmpllquéeg, ll est essentlel de tenlr compte de la présence de ees grandes étapeg de déve-loppement. La quêBtlon se pose alors de leur nature exaete, de leur nombre, et de leur ordre de successlon.

Il eet généralement edmls que des perturbatlons lrréverslbles du code géné-tlque gont à I'orlglne du processus de cancérlcatlon (Balmaln, 1986; Belmaln et al., lg84; crump et el., 1976; De Braekeleer, 1984; feher et Mac cormlek. l9g4: Swenberg et al., f 986). In vltro, la converslon tumorlgénlque de cellules cnlmales, c'est à dlre leur pessage de l'étet normal à un état qepable d'lndul-re un cancer après rélnJectlon chez I'anlmal, ee fait généralement en plusleurs étapes. Dans le cas de ftbroblastes d'embryon de rlt, le présence d'une mutatlon ou une altératlon génomlque a pu être mlse en évldence à chacune

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de ces étapes (Lend et el., f983). De plus ces perturbatlons semblent concer-ner plus spéclflquement certains gènes: les oncogènes, dont le rôle dans la régulatlon du comportement eellulalre reste encore ù préciser. Une fols mutés. ou altérés dans leur expresslon. ces gènes sont exprlmés dans un grand

nombre de tumeurs, anlmales ou humalnes (Balmeln, 1986; Cooper et Lane, 1984; Cote et al., 1986; Fox et lVatanabe, 1985; Harrls, 1986). Le llen entre eertains oncogènes et des facteurs régulant le crolssance, le dlvlsion, et la meturatlon cellulalre à été récemment établl, ee qul supporte la coneeptlon du cancer eomme une altératlon de la erolssanee normale des cellules (Rubln,

f 986). Il a été montré, pour lee produits chlmiques, que leur fixatlon à I'ADN condult à des mutatlons (Mac Cormick et Maher, 1983; Swenberg et al., 1986), et que ces mutetlone peuvent. par exemple. lnduire la transformatlon cancé-reuse de cellules déJà immortalisées (Newbold et al.. lg82). La cancérogenèse chlmique pourrait done s'expliquer par une sueeession de mutations d'oneo-gènes cellulaires (Balmain et al., 1984; Farber, 1987; Jenkins et aI., 1986; llarehall et al., 1984, Stowers et al., f987). Ces mutatlons sont rares car I'ADN cellulalre est protégé contre elles par des proeessus de réparation enzymatlque (Itlac Cormlck et Maher, 1989, 1986). Il est ralsonnable de volr en ees mutetlons les étapes limitantes du proeessus. Le llen est alors falsable entre exposltion aux toxiques et probabillté de cancer, le nombre d'altératlons génomlques dépendent de I'exposltlon et la probabltlté de cancer de la fréquence des altérations.

Le nombre de mutatlons crltiques nécessaires à l'émergence d'une cellule

plelnement eancéreuse n'est pes eonnu avec certltude, et ll est posslbte qu'une seule eufflse. Il pourralt d'allleurs varler selon les types de eancer et leur degré de mellgnlté. Les premlères études feltes à ee suJet s'appuyalent sur dee données épldémlologlques, en partleuller sur l'évolutlon des courbes d'lncl-dence de eaneers avee I'ege (Day, 1984). Une exploltatlon elmpllflée de ces données indlque que deux à sept étapes sont lmpllquées (Armltage et Doll,

1964, 1967; Druckrey, 1967; Hakama, 1971; Nordllng, f953). Cependant, les études récentes ln vltro, ou blen la réanalyee des données préeédentes à l'alde de modèles prenant en compte la crsissance des cellules eancéreuses ou pré-cancéreuses sont cohérentes evec un nombre d'étapee égale à deux ou trole seulement (lsaacs, 1986; Xoolgavkar et Knudson, l98l; Moolgavkar et Venzon, 1979; Pltot, l98g). Il eet posslble aussl que eertalns produlte n'lntervlennent qu'à un seul de ces stades.

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L'ordre de sueeeselon des événements est lul aussi lnconnu, dans la mesure où les étapes elles-mêmes sont mal ldentifiées (Balmaln, 1986; Rubln, f984). Il est fort possible que certaines étepes ne puissent se produlre qu'à la suite d'autres leur créant des condltions favorables. Cependent Lend et el. (f983) rapportent que, lors de la eonversion tumorlgénlque de flbroblastes d'embryon de rat, les deux étapes eapitales, perte de la nécesslté d'ancrage et lmmorta-llsatlon, peuvent se falre dans n'lmporte quel ordre.

c. Inltletlon et promotlon

Parallèlement, et en quelque sorte lndépendamment, le concept d'lnltlation et de promotlon, reeoupe les observatlons préeédentes. Il est établi que certelns prodults, non mutagènes, accrolssent grandement le pouvoir cancérl-gène de composés mutacancérl-gènes. Cette action potentiallsatrice ne s'exeree que si le mutagène est appltqué le premler. Les expérimentetions correopondantes ont été réallsées au tout début, sur la peau d'anlmaux entler6, par badlSeon-nages (Boutwell, 1978; Farber et Cameron, lgSO). Selon la théorle admise, dans une premlère étape, un prodult, dlt lnitlateur, eltère les cellules de façon lrréverslble, ees cellules restant qulescentes ou évoluant très lentement. Dans ce sehéma, la seconde étape est l'étape de promotlon, lndulte par les ... promoteurs, capables de falre évotuer les cellules précédemment lnltlées vers un caneer établl (Farber et Cameron, l98O; Hennlngs et al, 1983; Slega, f983). Certelns aloutent une étape de progresslon qul va de léslons pré-mallgnes eux léslons métastatlques (Pltot, lg83; Pitot et al., 198f). Bref, un processus multt-étape est avancé. Le llalson entre ces observatlons et cette théorle et celles précédemment exposées est loln d'être clairement déflnle (Montesano et Slaga, 1983; Yelnsteln et al., 1984), et le quallficatlf multl-étape est appllqué tantôt pour déslgner la sueeession des altératlons génétlques, tentôt pour la séquence tnltletlon-promotlon. Il s'en sult bien des amblgultés et malentendus gênants. Pour notre pert, nous réserveron8 le terme de multl-étape au

premler phénomène. Une hypothèse unlfleatrlce peut être avancée: les promo-teurs pourralent aglr dans le schéma multl-êtape précédent en aecrolssant de façon lmportante le nombre de cellules dlversement altérées (lnltlées). Au nlveau moléculalre. I'aetlon phosphorylante des esters de phorbol, promoteurs très pulssants, sur les protélne-klnaseg lntervenant eu cours de la dlvlslon cellulelre. étaye cette hypothèse. Une accélératlon du proeessus de cancérlse-tlon s,en sulvralt. Cette expllcation est tout à fait plaustble et s'lnscrlt fecllement dans le cadre de modèles de cancérogenèse prenant en compte la capacité de dlvlelon des celluleg lnltlées (Chu et al., 1987; Hennlngs et el.,

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1983; Moolgavkar et Knudson, l98l; Tan et Gastardo, 1986; Ten et Slngh, r 9 8 7 ) .

d. La ceneérogenèse: proeecsua svec ou sens ceull?

Un autre problème, fondamental, du mécanlsme de la eancérogenèse et de se modéllsatlon. est celul de I'abgence ou présence de seulls dans I'actlon des toxlques (Truhaut, 1979). Deux erguments prlnclpaux en suggèrent I'absence:

l'lnltletlon d'un eaneer peut se falre dens une seule cellule, par quelques mutations; à la llmite, pour une mutation, une molécule .de toxique euffit. Bxpértmentalement de nombreux tests ln vltro ou Jn v/vo montrent une llnéarité de la relatlon doee-mutagénlclté, surtout aux plus falbles expositlons testées (Ehllng et al., 1983).

certelnes lésions de I'ADN peuvent perslster, sl elles ne sont pas lmmédlatement létales, Jusqu'à la mort de la cellule. Il s'en sult une toxlelté cumulatlve à très long terme.

par contre, d'eutres observetions vont à I'encontre des précédentes, ou les nuancent:

sl des processus de réparatton ftdèles de I'ADN sont opérationnels dans toutes les cellules, ll est posslble que les léslons ne eolent déflnltlves qu'après seturatlon du mécanlsme répareteur.

I'acgvlté eancérlgène de certalns prodults est essoclée à des modlflca-tlons physlo-pathologlques (cytotoxiclté, hyperplesle ...) cellulalres ou tlseulelres, ne ee manifeetant qu'à partlr de certalnes doses. Pour eutent que ees modlflcatlons solent nécessalres ù la cancérlsatlon, celle-cl seralt llmttée per celles-là.

Dens I'un et I'autre cas les arguments proposés sont cohérents. Ils ne

s'appllquent cependant pas toug de la même façon à toue les prodults ou tous les orgenlemee. On consldère généralement que' pour les prodults

géno-torlques, ll n'exlste pas de seulls abeolus déflnissables'à prlorl, male tout au plue une éventuelle dlmlnutlon merquée de toxlelté aux felbles doses (par le Jeu des réparatlons et détoxlflcatlons) (Ehung et al., l98g).

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-1.2. ObJectlfe de le fodélisetlon

On attend de I'utlllsation d'un modèle, dans le cadre de I'estimatlon des rleques de eeneer, qu'll solt capable de résoudre le problème des extrepola-tlons entre doseÊ, entre espèees, et éventuellement entre voies d'exposltlon. Préclsons ces trols Polnts:

e. Extrapolatlon entre doaes

Les expérlmentatlons anlmales ne permettent pas de tester les exposltlons rencontrées naturellement, lorsque celles-cl sont faibles. A ces nlveaux

d'exposiilon les effets attendus devlennent très faibles et pratiquement lnob-servables. Statlstlquement, ll faut accroÎtre démesurément le nombre des anlmaux exposés pour pouvoir observer une réponse: les tests de cancérogé-nlclté eont donc faits à forte exposltlon au toxlque. Le modèle doit décrlre correetement les données expérlmentales, et la relatlon dose-réponse obtenue doit être vallde dans un domalne non-observable. Le seul critère de validlté du modèle dans cette région est Ba plaustbiltté biologtque: ll est relsonnable de penser qu'un modèle fondé sur notre connalssance des mécanlsmes de la cancérogenèse reproduit plus correetement le comportement du système modéllsé qu'une simple équation empirique (Park et Snee, 1983; Whittemore. 198O)' Il est en particuller essentiel de modéliser les princlpales ceuses potentielles eonnues de non-linéarlté de la relation (Ehrenberg et al., 1983):

non-llnéarlté des réactione métaboliques imptlquées dans la transfor-matlon d'un prodult en un cancérigène actif (comme per exemple, la formatlon d'addulte-ADN) (Hoel et al', 1983)'

posslbilité de tlques (Rabes Environmental

saturatlon des mécenismes de réparatlon des léslons géné-e t a l . , l 9 8 2 ; I n t géné-e r n a t i o n géné-e l C o m m i s s i o n f o r P r o t géné-e c t i o n a g a l n s t

Mutagens and Carclnogens - ICPEMC, 1983)'

non-llnéartté de la relatton entre expoeltlon effective et probabllité de cencer lmpllquée par la nature multi-étape de la cancérogenèse (Farber'

(18)

b. Ertrapoletion entre espèces

Cette extrapolatlon lntervlent lorsque les données de l'épldémiologle humalne sont lnsufflsantes pour Juger du risque de caneer. Les résultets d'expérlmentatlong chez une espèce animale ne e'appllquent généralement ps8, tout au molne quantttatlvement, aux autres espèces. Plusleurs facteurs, ne eeralt-ce que la tallle, lntervlennent pour modlfier la dlstrlbution, le métabo-llgme. ou I'ectlvlté cancértgène du toxlque. Il est nécessalre d'ldentlfler

I'ensemble des paramètres eapables d'expllquer les varlatlons de susceptlblllté des anlmeux à I'actlon du prodult, puls d'intégrer ces paramètres dens un sehéme coordonné. ll est évldent qu'll y a evantsge à coupler ou lntégrer ces paramètres au modèle dose-réponse précédent ear souvent les deux extrapola-tlons, entre doees et entre espèeeg, doivent être effectuées slmultanément. Il est égelement posslble que les dlfférences exlstent entre espèces soient aussl capebles d'expllquer une partle de le relatlon dose-réponse. Le problème abordé est celul, très général, des extrapolatlons entre lndlvidus, que les dlfférences solent au nlveau de I'espèce, de la varlété, du sexe, de I'age, ou tout nlveau requls. Ainsl, ll est posslble de poser la questlon du rlsque pour l,enfant, une fols que le rlsque pour I'adulte a été détermlné: la démarehe est la même que pour lee extrapolatlons entre eepèces.

c. Extrspolatlon entre volee d'exposltlon

La queetlon se pose essez Bouvent, du rlsque aprèe lngestlon du prodult, alore que les expérlmentations anlmeles ont utlllsé une expositlon par lnhala-tlon. ou vlee-versa. La toxlcité du prodult peut ne pas être la même dene les deux cas. Le moyen de surmonter le dlfflculté est là aussl d'ldentlfler les mécanlsmes responsables de ces dlfférences et de lee lncorporer dans le modèle de cencérogenèse.

1.8. Iodèles Exlstants

Le questlon de la modélleatlon de la eancérogenèse s'egt donc posée a88ez tôt, pour les releons expoeées el-deseus. Hlstorlquement, les premlers modèles se sont efforeée de felre le llen entre exposltlon aux eomposés et rleque de cancer. eans tenlr compte de la toxleoclnétlque ou de le métabollsatlon des prodults. Ce n'est que vers le mllleu des années solxante-dlx que les non-llnéarltés du métabollsme et leur lmportance furent dlscutées et éventuel-lement lntégréee aux modèlee précédents, en une sorte de eorreetlon de

(19)

l l

-I'exposltlon. Ces dernlères années ont vu I'adJonetlon aux schémas antérleurs de modèles de toxlcocinétlque, afln d'effectuer des extrapolatlons entre

espèees et entre voies d'admlnistratlon. Notre modèle est apparemment le premler à avolr lntégré cee trols nlveaux. Nous sulvrons le chemlnement hlstorlque: modèles dose-réponse, modèles de métabollsme, modèles de toxlco-clnétlque, pour présenter les prlnclpeux travaux publlés Jusqu'à ce Jour. a. Xodèlee dose-réponse pour la cancérogenèce

Une récente revue a été consaerée au suJet (Zelse et al., 1987), et bon nombre d'autres sont également dlsponibles (Altshuler, l98l; Chend et Hoel,

1974; Hanes et Wedel, 1986; Hoel et al., 1976; Kalbflelsch et al., 1983; Krewskl et al., 1989; Krewskl et Kovar, 1982; Krewskl et Van Ryzln, 1981, Park et Snee, 1983; Van Ryzln et Ral, l98O; Whittemore, 1980; Whlttemore et Keller,

1978). Les modèles utlllsés se résument souvent à une slmple formule, ce qul est commode pour I'aJustement etatlstlque de leurs paramètres. Il est posslble de classer ees modèles en deux grandes catégorles: modèles purement statls-tlques, basés sur le dlstrlbutlon d'un seull de toléranee, et modèles mécanistes (Park et Snee, f983).

Les modèles statlstlqueg, log-problt, logistlque, et Welbull. reposent sur la notlon que ehaque tndlvtdu de le populatlon étudiée possède une tolérance eu composé toxlque (Olson et Scheeffer. 1986). Toute dose lnférleure au seull de toléranee, pour un lndlvldu donné, ne produlre pes d'effet. Au seln de la populatlon, la dtstrlbutlon des valeurs de seull est esslmllée, per hypothèse, à une fonctlon de dlstrlbutlon elasslque. Sl I'on note F cette fonctlon, les

modèles de cette classe sont de le forme:

P ( d ) = F ( e + b ' l o g d )

où d est la dose admlnlstrée, a et b des eoefflclents numérlques. et P(d) la probablllté d'observer une réponse posltlve au bout d'un temps détermlné.

Hoel et at. (f975) préeentent lee modèles sulvente:

log-problt: P(d) = O(e + b'logd)

loglstlque: P(d) = l/lexp(a + b'logd) + ll W e l b u l l : P ( d ) = t - e x p l - e x p ( e + b ' l o g d ) l

où O dénote la lonctlon de dlstrlbutlon normele.

( l )

Q I

( 3 )

( 4 )

(20)

D,un point de vue mécanlste les bases de ces modèles ne sont guère solldes: lls supposent lncondltlonnellement l'exlstence d'un seull (dont la valeur moyenne correspond à I'effet médtan), et ne rendent pas compte de la nature mul6-étape du processus. L'lneorporation du temps dans ces modèles est faleeble. ce qul est lmportant au vu de I'aspect dynemlque de la cancéro-genèee, mets cecl ne résout pas les dlfflcultés précédentes. Ces modèles sont de molns en molns utlllsés, maie ll faut noter que dens le domalne observable, leur alustement aux données peut être aussl eorrect que celul d'autres rela-tlone dose-réponse (Park et Snee, f983).

Les modèles mécanlstes vont du plus slmple au plus eomplexe. Certalns reJol-gnent même, par le blals de slmpltficatlons, les formulstlons précédentes. Ces modèles sont basés sur I'aspect multl-étape de la cancérogenèse, même sl eertalns ne font l'hypothèse que d'une seule étapel

modèle mono-étepe ('one hlt' en anglals)

Dane le cas préele où un seul événement est requls pour attelndre l'état cancéreux, le reletlon entre la probablllté d'observatlon d'un cancer, P(d), et le dose admlnlstrée, d, est parttcullèrement slmple (Krewskl et Van Ryzln. l98l; Ven Ryzln et Rai. f98O). Il s'aglt du modèle mono-étape:

P ( d ) = 1 - e x p ( - a ' d )

(a>o)

( 6 )

Au falbles doses ll ee simPllfie en:

p(d) = a.d, ( 6 )

ce qul le falt apprécler dee toxieologues. Il faut noter, avec Zelse et el' (19g7), que ee modèle peut être dérlvé par slmpllflcatlon de blen

d'eutre8, tel le Yelbull, ou les multl-étapes.

modèlee multl-dommages ('multl hlt')

Ces modèles supposent que k événements lndépendants sont requls pour rendre une cellule cancéreuse. Lorsque la probablllté d'un seul dommage est proportlonnelle à la dose, et que la probablllté d'occurrence, en un temps donné, du nombre de dommages exereés sult une lol de Polsson, le

(21)

1 3

-eomme sult (R8i et Ven Ryzln, l98l; Van Ryzln et Ral, modèle s'établit 1 9 8 0 ) : ed p(d) = /[uf,-re-u/f(k)l.du o

( k > 0 )

Q I

où f est la fonction gamma:

o

f(k) = ;fsr-re-u'du o

( 8 )

L'usage de ce modèle a été reeommandé aux Etats-Unlg par le 'Food and Safety Councli', essentlellement pour sa versetlllté, mals ll peut condulre, semble-t-ll à des estlmatlons biaisées (Haeeman et al.. f 98f ). Une autre formulatlon, où le nombre de dommages sult une loi de Lagrange-Polsson a été donné par Janardan (1986).

modèles multl-étapes ('multlstage')

Ces modèles sont fondés sur I'hypothèse que k événements aléetolres (dont I'occurrence indivlduelle est proportionnelle à le dose d) doivent avolr lleu successlvement pour aboutlr à une cellule tumorale (Whlttemore et Keller, 1978; Zeise et al., 1987). La formulstlon dê ces modèles

remonte à Muller (1961), Nordling (1959), Stocke (1953)' et Armltage et Doll (1964, 1967). Dans la verslon la plus couremment utlllsée la rela-tion entre P(d,t), probabtltté de cancer pour une dose d à un temps t, et ces deux dernlères varlables, s'écrlt:

p(d,t) = t - expl-k(TT(ar + brd))(t-c)"|

( e )

Lorequ'une analyge est réallsée à I'alde de données obtenues sur le temps de vle des anlmaux, la simpllflcatlon sulvante est utlltsée (en pertlculler par I'Envlronmental Protection Agency des Etats-unls - EPA):

p(d,t) = [ - exp-(ao ] ord * asdr + ...) (aràO) ( 1 0 ) Ce modèle est el stmpllfté que certalns en contestent la slgnlflcatlon mécanlste. De multlple varlentes ont été propoeées et le problème de I'alustement stetlstlque dee paramètres a souvent été tralté (Armltage'

(22)

1986; Day et Brown, l98O; Crump, 1981, 1982' 1984; Crump et al., 1977; Daffer et el., 1980; Gaylor et Kodell, l98O; Guess et Crump. 1976, Guess et el., 197?; Guess et Hoel, 1977; Portier et Hoel, 1983' 1984).

Lorsque les phénomènes de croissence, mort, ou dlfférentlatlon des cellules eaneéreuses ou pré-eancéreuses sont prls en compte dane ces modèles, la formulatlon en devlent beaucoup plus complexe. Plusleurs modèles multl-étapes'stochastiques','étendus' ou'physlologlques' ont alnsl été étudlés (Chlang, lg83; Kendall, 1960; Greenfleld et al., 1984, Moolgavkar, 1978, 1983; Moolgavkar et Knudson, l98l; Moolgavkar et Stevens. 1984; Moolgavkar et Venzon, 1979; Portier, 1987; Tan et Gastardo, f986).

b. f,odèles lntégrent un schéme de métabollsme

Lee modèles précédents décrlvent la relatlon entre I'expositlon au eancé-rlgène ulflme et la probeblllté de cancer, en se basant plus ou molns sur un mécanlsme de la cancérogenèse. Ces modèles ont été appllqués à la relatlon entre composé parent et rlsque de caneer. Il est évident que, dans ce eas, ne modéllsant pas le métabollsme du prodult, leur pouvolr prédlctlf est felble, en par6culler sl des non-llnéarltés existent dans la relatlon entre exposltlon au prodult parent et quantlté de cancérlgènes ultlmes formés.

C'est pourquol. depuls envlron dlx ens, plusieurs auteurs lnslstent sur la nécesslté de décrlre le métabolleme des prodults et d'lncorporer aux les modèles etnsl conetrults aux préeédents. L'équlpe de toxlcologle de Dow Chemlcals Company a largement présenté cette problématlque (Dletz et el.,

1982; Gehrlng et Blau, 1977, Gehrlng et al., 1977,1978, 1979a, 1979b; Ramsey' 1982; Rameey et Gehrlng, 1980, l98l; Ramsey et Reltz, 1981; Schumann et al', l9g2; Watanabe et al., 1977, f98O). Cette lncorporatlon est parfols déslgnée par le terme de 'eorreetlon de I'exposltlon'. D'autreg euteurs ont sulvl le même exemple (Anderson et al., 1980; Cornfleld, lg77; Hoel et al', 1983; Ven Ryzln et Ral, lgBZ). Les modèles de métabollsme utlllsés par l'équlpe de Dow étalent relatlvement sophletlquée et spéclftques des prodults étudlée' par contre I'qtustement de leurs paramètres étalt largement emplrlque et peu Justl-flé. Lee approches plus récentee n'lneorporent qu'un ou deux termes non-llnéelres (en général de forme hyperbollque) aux modèlee dose-réponee. L'ensemble est plue facllement qfustable statlstlquement, mals certelnement molns plauslble sur le plan blologlque.

(23)

l 6

-c. Iodèles lntégrant le toxleoclnétique des produits

Le falt que des extrapolatlons entre espèces ou entre voles d'adminlstra-6on sont généralement nécessaires pour explolter les résultats de eancéro-genèse expérlmentale condult à modéllser l'lnfluence des facteurs détermlnant les dlfférenees posslbles. Ces facteurs sont prlnclpalement, à coté des spéel-ftcltés du métabolisme prlses en compte par les modèlee précédents, des dlffé-rences morphologlques entraînant une dlsperslon dlfférente des prodults dans I'organlsme. Le volume des organes, leur relatlve ttpophilicité, les différences de perméablllté des barrlères de I'organlsme et, pour les prodults transportés par vole sengulne, les flux sanguins, sont les détermlnants eonnus de le clné-tlque des prodults dans les organlsmes mammlfères (Gerlowskl et Jeln, 1983; M e n z e l , 1 9 8 7 ) .

Des modèles physiologiques sont couramment utillsée pour I'extrapoletion de la pharmeco- ou toxlcocinétique des prodults (Andersen, l98l; Andersen et

Rameey, 1983; Andersen et el., 1987a, 1987b; Angelo et al., 1984; Blschoff et al., l97l; Dedrlck, 1973; Dedrlck et Blschoff, l98O; Dedrick et al., 1970' 1973; Felngold et Holadey, 1977; Fernandez et el., l9?7t Gerlowski et Jeln. 1983; Johangon. 1986; Lutz et al., 1984; Mareus, 1986; Remsey et Andersen. 1984; Seto et al., 1977, Ward et al., 1988).

Le quallflcatlf physiologique se réfère au fait que les composants de ees modèles sont clelrement déflnls: tel compertlment représente le fole, tel autre le reln etc. Les paramètres des équatlons obtenueo eorrespondent à des valeurs physlologiques de volumes, flux sengulns etc. Ile sont donc connus' ou extrapolables, entre espèces (Clewell et Andersen, lg86). Les modèles de pharmacoclnétlque claeslques ont la même forme mathématlque mals leurs paramètres sont qlustés stetlstlquement. Ils ne sont guère utlllsables pour décrtre plus de trols compartlments, et regroupent en une seule valeur plusleurs paramètres physlologlques, ce qul rend dlfftclle les extrapolatlons.

L'ldée de coupler ees modèles aux précédentg, pour slmuler plus eomplètement le cancérogenèse per les prodults chlmlques est récente. La posslblllté de coupler toxlcoclnétlque et clnétlque cellulalre (sans référence à la cancéro-genèse) evalt été dlscutée par Blschoff (1981). Clewell et Andersen (1986) dtscutent également la posslblltté d'une lntégratlon des modèles. Le eouplage des trols nlveeux, toxlcoctnétlque, métaboltque, et doee-effet e été réalleé par nous même en utlllsent un modèle stochastlque de la cancérogenèee (Bols et

(24)

al., 1986, 1987). Des modèles dose-effet plus slmples ont été utllisés par I ' E P A ( f g S 6 ) e t B o l s e t a l . ( 1 9 8 8 ) .

(25)

t 7

-2. Toxlcologle d'un Carelnogène-type: le Chlorure de Vlnyle

2.1. Introductlon a. Donnéee physico-chlmlques

H\

/c,

- formule développée: ,/G:Ca, - poids moléculalre: 62,5

- aspect: gaz incolore à la température ordinaire - point d'ébullltlon: -13,37'C

- facteur de eonversion: I ppm dans I'air = 2,6 mg/ms b. Productlon, utlllsatlon, oeeurrencea

Le ehlorure de vlnyle est produit industriellement en grande quantlté (plusleurs mllllons de tonnes par an) en vue de la fabrlcatlon de réslnes polymères (chlorure de polyvinyle).

Les expositlons professlonnelles sont les plus importantes. Avant 1976

I'exposltion moyenne dans un ateller de polymérisatlon était approxlmatlvement de 26O mg/mg (Internatlonal Agency for Reôearch on Caneer - IARC, f979). Du fatt de la ceneérogéniclté du composé, des niveaux maxlmum de I à 6 ppm envlron sont aetuellement lmposés par les léglslatlons du travall.

On en détecte dans I'alr prés des sites lndustrlels où s'effectue sa fabrlcatlon ou oe transformatlon, dans I'eau et dans les allments. Dans les eaux de bolsson des concentretlons s'élevant Jusqu'à l0 uglt ont été rencontrées (Loper, f980).

2.2. Toxlcoclnétlque

Peu d'études sont dtsponlbles. la elnétlque du chlorure de vlnyle étent supposée slmple et elmllalre à celle d'autreg prodults volatlls (Flserova-Bergerova et al., 1984).

Jusqu'en 1977 les quelques études de toxlcoelnétlque publlées portent sur le rat, et une revue en a été préeentée par Bolt (f9?8). Lors d'exposltlons par lnhalatlon, un nlveau stable de ehlorure de vlnyle dens le seng est atteint en envlron 30 mlnutee (Bolt et el., 1977; Wlthey, 1976). Par gavage la clnétlque

(26)

est imégulière, mais I'absorption est à peu près complète en lhSO (Withey, l976). A l'équilibre, le rapport entre concentration veineuse ef, concentration aérienne est de 2,6 (withey, 1976) ou 2.9 (Bolt et al.' L977), tandis que le rapport entre concentration dans I'enimal entier et concentration aérienne est de 6,3 (Filser et Bolt, 1979). L'élimlnation du composé parent se fait par la vole pulmonaire tandis que les métabolites sont retrouvés dans I'urine (Hefner e t a l . . f 9 7 5 ) .

Chez les autres espèces, les résultats rapportés par Buchter et al. (1978, tgSO) pour la souris, le lapin, le singe rhésus ou I'humaln, permettent mal de Juger de la cinétique du chlorure de vinyle. Pour I'humaln en particulier, une

exposition eourte et faibte eonduit les auteurs à prendre pour phase de méta-bolisation ce qul n'est peut-être qu'une distribution lente, comme ils le

discutent eux mêmes.

2.3. fétabolisme

Après absorption par la vole orale, ou per inhalation, le devenir du prodult chez le rat dépend du niveau d'exposition. (Bolt, 1978; Gehring et al.,

t977): la quantlté de métabolites excrétés par unlté de temps atteint un

plateau à partir d'environ lOO mglkg administrés par voie orale, ou au delà de 260 ppm dans I'eir inhalé.

Après inhalation de chlorure de vinyle marqué, l0 ppm durant 6 heures, par des rats mâles, la radloactlvité retrouvée dans l'urine et celle correspondant au chlorure de vinyle exhalé représentent respectivement 68 et 2% du total. pour une coneentration lnhalée de lOO0 ppm, les proportions deviennent égales à 56 et 129ô, conflrmant la saturabilité du métabotisme. La proportion des trols métabolites urinalres retrouvés, la /V-acétyl-S-(2-hydroxyéthyl)cystélne, I'aclde thloglycollque, et un non identlflé, n'est pas notablement affectée par le nlveeu d'exposition (Watanabe et at., 1976b). L'admlnistration par vole orale conduit à des observations slmilelres (Watanabe et al', 1976a)'

pour des exposltlons eomparables (rats, lOO ppm envlron, durant 6 heures) les nlveeux de radloactlvtté les plus forts, à la fin de I'exposltlon, sont retrouvés dans le foie et le reln. La plupart des métebolites radloactifs sont excrétés rapldement. egsentlellement par le reln: en 24 heures envlron 709t de la radloactlvlté tnhalée est retrouvée dans les urlnes. Certains métabolltes' certalnement flxés, sont encore présents 48 heures après I'exposltlon,

(27)

prlncl 1 9 prlncl

-palement dans le fole, le rein, la rate (Bolt et al., 1976e. 1976b). Watanabe et el. (1978) montrent que, chez le rat, la quantlté de métabolltes flxés aux macromolécules hépatlques n'augmente pas proportlonnellement à la concentra-tlon d'exposiconcentra-tlon, mals qu'une saturation apparalt au delà de 25O ppm dans I'alr.

Les premlères transformations que sublt le ehlorure de vlnyle sont effectuées par le système eytochrome P460 (Bartsch et al., l98O; Guengerlch et al., l98O; Henschler, 1983; Hopklns, 1979a). Une oxydatlon conduit à la formatlon

d'oxyde de chloroéthylène qui peut s'lsomérlser spontanément en chloroacétal-déhyde. Ces deux produtts oxydants sont prlnclpalement détoxlflés par le glutathlon. Le chloroacétaldéhyde se eombine au glutathion pour former du S-formylméthylglutethion. exerété soue forme de

ÂI-aeétyl-S-(2-hydroxy-éthyl)cystélne (Green et Hathwey, 1977; IARC, 1979). Le chloroecétaldéhyde peut aussl. per une aldéhyde-deshydrogénase, être oxydé en acide chloroacé-tlque, excrété tel quel ou comblné au glutathlon pour former le S-carboxy-méthylglutsthlon, flnelement transformé en ecide thloglycollque (IARC, 1979). Au nlveeu du foie, ces réeetlons ont prlnclpalement lleu dans les hépatoeytes, mals les prodults formés peuvent dlffuser hors de ces cellules pour attelndre par exemple les cellules slnusoTdales (Ottenwalder et Bolt, l98O). La Flgure I résume ce echéme de métebollsme.

In vltro et /n vlvo, après activatlon métabollque, le chlorure de vlnyle se flxe eux meeromolécules blologlques, et en particuller à I'ADN (Bergman, 1982; H o p k l n s , 1 9 7 9 c ; I A R C , 1 9 7 9 ; L a l b , 1 9 8 2 : L a l b e t a l . , 1 9 7 9 ; L u t z , 1 9 7 9 ) . L'oxyde de ehloroéthylène et le chloroacétaldéhyde sont alkylants In vitro (Guengerlch et al., 1980; Laib et al., l98l). La structure execte du ou des eddults responeables de I'aetlon mutagène du chlorure de vlnyle n'est pas eneore éclelrcle. In vlvo. le chloroacétaldéhyde est alkylant des protélnes, tandls que I'oxyde de chloroéthylène, seul, semble ee flxer à I'ADN (Gwlnner et al., lg83). La 7-N-(2-oxoéthyl)guanlne est le prlnclpal addult retrouvé dans les hépatocytes de rets après admlnlstratlon de chlorure de vlnyle (Bolt et al.,

l98O; Lalb et el., l98l; Politzer et al., f986). Cependant cet addult ne semble pas fortement mutagène: un ou plusleure eutres eddulte non encore ldentlflés pourralent être à I'orlglne de I'actlon du prodult (Berbln et Bartsch, 1986; Berbln et al., 1986, 1986; Bolt, 1986; Bolt et al., 1986; Lalb, f986).

(28)

Flgure l: Transformetlons métabollques du chlorure de vlnyle monomère chez le rat (IARC. f979).

2.4. Iutagénlelté

La mutagéniclté du chlorure de vlnyle eet clalrement démontrée dane lee teste à court terme.(IARC, l9?9; Fabrleant et Legator, lg8l; Ganett et al.,

1984; Hopklne, 1979b). Chez Sclmonella typhlmurlum elle se menlfeste vls-à-vls de presque toutes lee aouches et prlnclpalement en présenee d'un eystème d'actlvatlon métebollque. Par exposltlon au chlorure de vlnyle gazeux (2O9ô

CH, - ç11ç1 c h l o r u r c d e v i n y l c H â C - c H c l oxyde de chl oréthylène . a l d e h v d e -clcH2-cHo dffi clcH2-cooH a c i d e n o n o c h l o r o a c é t i q u e b c h I o r o a c e t -G - S - C H 2 - C H O --+-->a l d e h v d e o x i d a s e -x a n t h r n e o x r o a s e

.J*

I

G - S - C H r - C O O H S - f o r m y l n e t h l ' I -g l u t a t h i o n S C a r b o x F e t h y l -g l u : a t h r c n c ) s - S - C H 2 - C H 2 O H S ( 2 h y d r o x y e t h Y l ) -c y s -c e i n e D

I

I

c y s - S - C H 2 - C H O : i's-S-Cti r-COOH

I

S f c : m 1 ! m e t h Y l -c i s t e i f , e S C a r b o x ; n e t h l ' l -c y s t e i r e b N - A c - c y s - S - C H 2 - C H 2 O H N a c e t y l S ( 2 h Y d r o x 1 ' -e t h ] ' l ) c y s t -e i n -e D | . n * , I ::an sa:-, i n a t i o n )

I

l_co2 d e e a r b e x ; - I a t i c r o x i d a t i v e

I

ïloca -cH. - s-ctl 2- cooH ( a c i : i e t h i o d i g 1 ] ' c o l i q u e l ( a c i d e t h i o d i a c € t i q u e ) b : d é t e c t é i n v : v o c : d é t e c t é i n v i t r o d : G S H : g l u t a t h i o n

(29)

-21-dans I'alr à 37'C) une nette reletlon dose-réponse est obtenue sur la souche TAI0O (Slmmon et al., 1977r.

Sur les souehes TA1630 et TA1636. sensibleg aux monoalkylatlons, I'actlvité du syetème de métabollsation et la relatlon dose-réponse ont été conflrmées. La souche TA1638, senslble aux prodults décalent le cadre de lecture, n'est pae affeetée (Bertsch et al., lg76).

Dlfférents eystèmes de métabollsatlon (fractione S9 de foleg, poumons. relns de sourls et de rets, et foies humalns) ont été testés. Seuls les foles présentent une actlvlté lmportante. Entre retg et humalns il n'y a pas de différence noteble dans la eapacité d'activation du chlorure de vlnyle. mals lee extralts de fole humalns montrent une aBsez grande varlablllté dans leur pouvolr de métabollsetlon (du slmple au double selon les lndlvidus). Ces réeult'ets ont été obtenus avec quatre blopsles provenant de malades mals les foles ne présentelent pas de léslone pathologlques (Bertsch et al.. lg76). La capacité de métabollsatlon de dlx-hult échantlllons humalns a été trouvée proche de celle du fole de rat (Bartsch et al., l98O).

Le ehlorure de vinyle est également mutagène chez Escherlchle coll. Schlzo-eeccheroryces pombe, et Saceheron\yces cerevislae, Drosophlla melanogaster, cellules V79 de hemster chlnole (Duverger et al., l98l; IARC, 1979), ou test du mlcronoyau chez la sourls (Rlchardson et al., 1983).

L'oxyde de chloroéthylène gènes ln vltro, le premler

1976; Perrerd, f986).

2.6. Gancérogénlclté

et le chloroacétaldéhyde sont tous les deux mute-l'étant nettement plus (IARC, 1979; Malevellle et al.,

La eancérogénlctté du ehlorure de vlnyle est blen éteblle, tant chez l'humaln que chez d'autres espèces (IARC, 1979, Purchase et al., 1987).

Dllférentes voles d'edmlnlstretlon, eoncentratlons, modalltég de trcltement ont été testées chez deg anlmaux d'espèces, de souche, de sexe et d'age dlfférente, par faltonl (198O, l98l), dont l'étude eet la plue homogène et étendue.

Chez le rat Sprague-Dawley, I'lnhaletlon et I'admlnlstratlon par gavsge mettent en évldence une reletlon dose-réponge nette entre la quantlté de chlorure de

(30)

vlnyle absorbée et le nombre total de tumeurs observées chez les femelles ou les mâlee.

Les inhalatlons ont été faites à des eoncentrations allant de 6 à 30OOO ppm; 4 heures par Jour, 5 Jours par semalne durant 62 semalnes. L'observatlon a été poursulvle Jusqu'au décès de tous les anlmaux. Aux plus fortes exposltlons, la toxlclté du composé tend à masquer son actlon cancérlgène, et le nombre de cancers observés dlminue.

Ghez le rat Wlstar et la souris Swiss, I'adminlstratlon par inhalation condult également à I'observatlon de tumeurs, de fagon croissante avec la doee

(Maltonl et el., f980). Le chlorure de vlnyle est donc eapable d'lndulre, ehez I'anlmal, deg caneers en de multiple sites. L'lnductlon d'anglosarcomes du fole, et d'eutres eeneers. est observée chez les souris, les ratg, les hamsters ( D r e w e t a l . , 1 9 8 3 ; F e r o n e t a l . , l 9 8 l ; H e h l r e t e l . , l 9 8 l ; H o n g e t a l . , l 9 8 l ; Maltonl et al., l98l; Suzuki, 1983).

L'oxyde de chloroéthylène montre un effet lnitlateur, In vlvo, sur la peau de sourls; le chloroacétaldéhyde, dans les mêmes conditions, n'a pas d'actlvité (Zaldele et al., r98o).

Chez I'humaln plusleurs études épidémiologiques rétrospectlves menées afln d'évaluer la lialson entre différentes pathologles et I'exposltion au chlorure de vlnyle ont mls en évldence des corrélatlone poeitives pour les csncers du fole, du cerveeu, du poumon, et du système hémato-lymphopoTétlque. Plusleurs revues ont été publiées sur le suJet (Hopklns, l98O; IARC, 1979; Infante, l98l; Committee on the Evaluatlon of Carclnogenic Substenees of the Natlonal Health Councll of the Netherlands, 1987).

Peu de données permettent d'établlr une relatlon dose-réponse, ces données eoncernent prlnclpalement I'anglosarcome du fole, tumeur rare (Salmon, r985). Cooper (lggl) rapporte que sur 707 décès enreglstrés parml les employés de dlverses lndustrles des Etats-Unle, produlsant ou utlllsant le chlorure de vlnyle, hult eae d'anglosarcome et 12 cae de cancer du cerveau ont été

recensés, solt respectlvement l,l% et 1.79ô des décèg. Ces chlffres sont slgnl-flcatlvement plus forts que la moyenne pour les Etats-Unls. L'hlstorlque de la vle professlonnelle et la catégorle approxlmatlve d'exposltlon, haute, moyenne ou basse, sont connus pour chacun deg eas.

(31)

-23-Weber et al. (l9Sl) lndlquent, en fonetion de la durée d'exposltion au chlorure de vlnyle, la répartltion des eauses de mortallté parmi des ouvriers allemends. Une augmentatlon de I'lncidenee de cancers du foie est manifeste. L'expositlon n'est pes connue avec certitude, mals ll est possible d'en falre une estlmatlon approximetlve à partlr des valeurs généralement observées dans les atellers aux mêmes époques

Forman et al. (f 986) rapportent des chlffres slmllaires pour I'angloearcome du fole, mals un hlstorique de I'exposltlon n'est pas donné. Heldaas et al. (f987) ont sulvi une cohorte de 464 travallleurs de I'lndustrle du chlorure de vlnyle. Des anglosercomes du fole n'ont pas été observés, étant donné la faibleese de I'effectlf, mais les auteurs trouvent une lncidenee de caneers du colon, des bronches, et de mélanomes eugmentée par rapport à la populatlon générale. Des résultats slmilalres sont rapportés per Laplanche et al. (f987).

Dans sa démonstratlon de I'utilité des modèles de métabollsme, l'équlpe de Dow Chemleals a travalllé sur le cas du chlorure de vinyle en utlllsent une

enquête éptdémlologique rétrospectlve menée eux Etats-Unis. Elle donne, pour Un nlveaU moyen, et un nOmbre d'années d'exposition, le nOmbre d'anglo-sareomes du fole observés (Dietz et al., 1982; Gehrlng et al., 1979b; Stott et l V a t a n e b e . tg A t ) .

(32)

3. Toxlcologle deg Concentrés et Extralts d'Eaux de Boisson

Les recherches concernant les effets toxlques des mlcropolluante des eaux se sont développées selon trols axes princlpaux:

enalyse chlmlque (caractérisatlon, dosage, étude du mode de formetlon), étude de le génotoxlelté expérlmentale (tests de mutagénlclté et cancéro-génlelté),

- études éptdémiologiques auprès des populatlons exposées.

Ces trols aspects sont pesgés en revue dans cette section.

Deux polnts dolvent être immédiatement soulignés:

parml les nombreux prodults susceptlbles d'être présents dans les eaux de bolgson, nous eoncentrerons notre ettentlon sur les composés organiques rencontrés après les traltements de déelnfection.

pour palller au manque de sensibllité de nombreuses méthodes analytlques ou toxlcologlques, les études expérlmentales ont, dans la plupart des eas, été réallsées sur des coneentrés ou des extraits d'eaux. Les résultats que nous rapportons coneernent ees concentrés. Leur utlllsatlon lntrodult cependant une dlfficulté supplémentaire dans I'lnterprétetlon des résul-tats.

8.1. Anelyse Chlmlque

Quelques 2oo0 espèees ehlmiques dlfférentes ont été recenséeg dans les eaux de boleeons. L'attentlon I'est focellsée sur les prodults volatlls et apolalree (dont les trlhalométhanes) cer d'une part I'on trouve parml eux des cancérlgènes suspectés, et d'autre part ce sont les plus facllement dosée par chromatographle en phase gezeuse et spectrométrle de masge. La plupart des 360 composés que cltent Kool et al. (1982b) dans leur revue font partle de cette clesse.

(33)

-26-a. Identlflcstlon et dosege

Les méthodes employées font toutes appel à une extraction etlou une coneentratlon des dlfférents constltuants, sulvle d'une séparatlon et ldentifl-cetlon (Yatts et al.. f 982).

Les méthodes de eoneentration actuelles procèdent schématlquement par:

éllmlnatton de l'eau hors de l'échantlllon' extrectlon à I'alde de solvants organiques'

adsorptlon-désorptlon sur réslnes ou réseaux macroporeux.

Leurs ceractéristiques sont résumées dans le Tebleau l.

Tableau l: Performancee de méthodes eourantes de concentratlon des mlcro-polluents organlques des eeux (').

Méthode Sélecttvité Recouvrement(b)

cryoconeentratlon lyophlllsatlon évaporatlon osmooe lnveree

Extractlon par dee solvants apolalres

Adsorptlon - DésorPtlon sur matrlces lnorganlques (charbon, slllce ...)

sur metrlces organlques (réslnes, polyuréthanes ...)

non-spéciflque

produite non-volatlls prodults non-volatlls haut polde moléculalre

composés apolalres non-spéelflque composés apolalres ou légèrement polalres

60-70r

80-9094

8 0 - 9 0 9 6 80-909ô

I - ro9a

verlable I - 1096 (.) ( b )

d'après Kool et al. (f982b)

exprlmé en poqrcentage de carbone dlssous reeouvré (estlmetlon).

Les prodults orgenlques rencontrés peuvent être classés en quatre groupes (Tebleau 2).

(34)

Tableau 2: Classlfleation générale des mlcropolluants organiques des eaux(a).

Groupe Carectérlstlques{r) 9l du COD(c) Composés ldentlftés

I volatils/apolalres < 10 2 volatlls/polalres < lO 3 non-volatlls/aPolalres \

nombreux

(trlhalo-méthanee,

éthers...)

peu nombreux

(formaldéhyde...)

peu nombreux

80 - 90 (pesticldes...) 4 non-volatlls/polalree / très peu nombreux

(el {'6p1}s Kool et al. (r982b)

{b) yql4flls: point d'ébullltlon ( 20O C'; apoleires: solubllité dens I'eau lnférleure à I e/l

{c) ÇQP; Carbone Organlque Dlssous

Les eoneentratlons maximales deo princlpaux composés voletlls, dans les eaux de bolsson, ldentlflés ont été rapportées pour différentes villes des Etats-Unls par Crouch et al. (l9Sg) (Tableau 3). Ce sont les résultats du "Natlonal Organlcs Monltoring Survey" de I'Envlronmental Protection Agency (EPA) des Etats-Unls. La moyennes des maxlma pour les trlhalométhanes est de f6O Ugll envlron.

Cothern (1986) lndlque, pour des produite volatlls dont le pouvolr cancérigène est reeonnu ou suspecté, le nombre de pereonnes exposées à dlfférentes

concentra6one (Tableau 4). ,D'une façon générale, leg concentratlons moyennes des prodults volatlls (tous confondus) se sltuent aux alentours de 60 Ugll (Bellar et al., l9?4; Bull, 1982; Kool et el.' lg82s; De Fernicola et De Azevedo, 1984).

pour les compoaés non-volattls Loper (1980) lndlque des concentratlone, en carbone organlque total, allant de I à 6 *g/t' ltlonarca et al' (1986) rappor-tent pour les eaux de bolsson eprès chloratlon, des concentretlons en produlte extractlbles par le dlchlorométhene comprlsee entre o'2 mg/l et 2'6 mg/l' Kool et el. (19g6) lndlquent que lee eaux de bolsson utlllséee lors de leur étude de cancérogénlclté contenalent, en moyenne' o'l16 mg/l de compoeés non-voletlls (l'extractlon a été falte, lcl, par échange d'lone)'

(35)

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(36)

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(37)

-29-b. Influence des traltements

Le traitement des eaux potables, faisant souvent appel aux oxydantg, entraîne des modlflcations de leur composltlon chlmlque. tl est dlfflclle de précleer exactement I'lnfluence des traitemente. Chaque eeu, selon sa compo-sltlon (varlable dans le temps), son pH, sa température, peut condulre à des prodults dlfférents (ou tout au molns en des proportlons relatlves dlfférentes) (Tlernan, 1983; Veenstra et al., 1983). On observe, cependent, une dlmlnutlon de la teneur globale de I'eau en matlères organiques. En revanehe, ll se forme de nouveaux produlte: après chloratlon ou ozonatlon il est posslble de détecter des composés de falble polds moléculalre, halogénés ou oxydés.

Parmi les précurseurs des substanees néoforméesr se placent par exemple les acldes humiques ou fulvlques (Rook, lg74l, lee algues (Brlley et al., 1984) les mlcropolluants des eaux brutes (Oyler et al.. 1982).

L'ectlon des principaux traltements est la suivante:

la chloration lndult une augmentatlon de la eoneentretlon en halogènes organlques totaux (Bull et al., lg82). La formatlon de trlhelométhanes a été mise en évidence (Bellar et al., 1974; Reunanen et Kroneld. 1982). Une etructure a été proposée pour une eenteine de composés (princlpale-ment deg monoesters ou dlesters allphatlquee chlorés ou non chlorés et dee esters eromatlques) formés par chloration d'une solutlon d'acldee humlquee (Johnson et al., 1982). Les prodults formés dans de telles condltlons sont très semblables à ceux formés lors de la chloratlon des eaux de bolsson (Chrtstman et al., 1983; Coleman et al., 1984).

le dloxyde de chlore et I'ozone produlsent beeucoup molns de trlhalomé-thanes que le chlore (Zoeteman et al., f 982) meis la dose d'halogènes organlques totaux augmente. Il se forme également dee prodults

d'oxydetlon (eldéhydes ou qulnones, par exemple) (Stevens, lg82).

les traltements de eoagulatlon et flltratlon rédulsent en général fortement les concentratlons de prodults non-volatlls mels seule les flltres de cherbon actlf semblent efflcaees vls-à-vls des composés volatlle (Kool et e l . , f 9 8 2 b ) .

(38)

3.2. Génotoxlelté Expérimentele

e. Xutegénlelté

L'ectlvlté mutagène de concentrés d'eaux de boisson e prlnclpalement été étudtée à I'alde du test d'Ames sur Sa/monella typhimurium (généralement les souches TA 98 et TA lO0). Les eaux avant traitement peuvent contenlr des egents mutegènes, comme I'a montré, par exemple, Pottenger (1983). Kool et al. (1982a) rapportent que des eoncentrés correspondant à 6O ml d'eaux brutes ont, dans certalns eas. manifesté une génotoxicité. D'autre part, une mutagé-nlcité de I'eau peut être détectée après traltement; elle est généralement augmentée par rapport à I'eau non traltée (Kool et al., 1982b; Monarca et al., f986) mals peut aussl être abalssée (Demarinl et al., lg82). Meler et al. (lg8g) montrent sur des solutions d'acldes humlques, une relatlon entre eoncentratlon de produits chlorés et activlté mutagénique. Cecl entraîne à établlr un llen de causallté entre les deux. On peut penser qu'll en est de même pour les eaux de bolsson.

S'll est dlffletle, eomme nous I'avong montré, d'obtenlr une analyse détalllée des mlcropolluants des eaux, il est encore plus déllcat de reller I'aetlon mutagène à des composés précie. On peut retenir les polnts sulvants:

les fractionnements produisent des résultats variables sur chaque eau. Dans certalns cas (Loper et al., f9?8) ce ne eont pas les fractions les plus rlches en matlères organiques qui sont les plus mutagènes. Il est donc poeelble que quelques produits seulement solent à I'orlglne de cette génotoxlclté.

I'actlon mutagène retrouvée après chloratlon est essentlellement dlrecte. En falt, une métaboltsatlon des composés impllqués a tendance à dlmlnuer leur actlvlté (Zoetemen et al., 1982: Meier et al.. f983).

des relatlone entre dose et actlvlté peuvent être dédultes de certalns trgvaux: Kool et al. (1986) trevalllent sur des eaux pour lesquelles l0O révertents nets sur souche TA 100 (sans actlvatlon métebotlque) corres-pondent à envlron I mg de eoncentré. Monarca et al. (1986) trouvent, pour le même souche. des actlvités mutagénlque de 94 révertantg nets psr mg d'extralt pour une eau de bolseon provenant d'un lac, et de 896 révertents neta par mg pour une eeu par mg pour une eau provenant de

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